Deorbiting Sails: Der „Fänger“ von Weltraumschrott

Feuerwerkskörper könnten künftig nicht nur vom Boden aufsteigen, sondern auch vom Himmel fallen.

Der niederländische Künstler Daan Roosegaarde arbeitet mit der ESA am Bau eines Weltraumschrottlabors. Man geht davon aus, dass aus Weltraumschrott künstliche Meteore werden, die den Himmel wie Feuerwerke erleuchten. Der Plan sieht vor, die Trümmer in die Erdatmosphäre zu leiten und sie zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt verglühen zu lassen.

Voraussetzung für die Fertigstellung dieses „Feuerwerks“ ist die Frage, wie die Trümmer in die Atmosphäre geleitet werden können. Tatsächlich handelt es sich um ein Thema, mit dessen Untersuchung sich Luft- und Raumfahrtwissenschaftler und -ingenieure im In- und Ausland bereits begonnen haben. Unter ihnen rücken Deorbit-Segel als relativ bequeme und kostengünstige Möglichkeit zur Entsorgung von Weltraummüll zunehmend in den Fokus der Öffentlichkeit.

Vor nicht allzu langer Zeit wurde das Deorbit-Segel – das derzeit größte in China und das erste der Welt, das in einem Raketenmodul verwendet wird und von der Eighth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation unabhängig entwickelt wurde – zum ersten Mal erfolgreich in der Umlaufbahn eingesetzt. Dabei wurde die letzte Stufe der Rakete, die ihre Mission abgeschlossen hatte, zum Verbrennen in die Erdatmosphäre zurückgebracht. Was sind also die Hauptvorteile von Off-Orbit-Segeln?

Aktuelles Foto des von der Achten Akademie unabhängig entwickelten Deorbit-Segels, das im Weltraum eingesetzt wird

Der neue Killer des Weltraumschrotts

Im Jahr 2021 wurden weltweit mehr als 100 Raketen der Orbitalklasse gestartet. Nach Abschluss der Mission werden die Raketentrümmer entweder zu Boden fallen, in die Erdatmosphäre eintreten und verglühen oder zu „Weltraumschrott“ werden, der im Weltraum umherwandert.

Statistiken zufolge wurden seit Beginn der Weltraumaktivitäten des Menschen zig Milliarden Weltraummüll unterschiedlicher Größe im All zurückgelassen. Sie stehen nicht still, sondern fliegen mit extrem hoher Geschwindigkeit. Beispielsweise kann die Fluggeschwindigkeit von Weltraumschrott in einer niedrigen Erdumlaufbahn 7 bis 8 Kilometer pro Sekunde erreichen. Bei einer Kollision mit einem Raumfahrzeug kommt es zumindest zu einem Systemausfall des Raumfahrzeugs, möglicherweise sogar zur völligen Zerstörung oder Explosion.

Es wird allgemein angenommen, dass es für winzige Satelliten mit Umlaufbahnen unter 600 Kilometern eine sehr praktische und wirtschaftliche Möglichkeit ist, „Deorbit-Segel“ zu verwenden, um den Luftwiderstand zu erhöhen und so nach ihren Missionen eine autonome Reinigung von Weltraumschrott zu erreichen.

Deorbit-Segel verwenden eine große Fläche dünner Filmsegel, um den Luftwiderstand zu erhöhen und den Deorbit-Prozess von Raumfahrzeugen zu beschleunigen. Es handelt sich um eine einfache, passive Deorbit-Methode, die für Raumfahrzeuge in niedrigen Umlaufbahnen geeignet ist und die Vorteile der Benutzerfreundlichkeit und der geringen Kosten bietet.

Bodentest des Deorbit-Segels der Achten Akademie

Nehmen wir als Beispiel die Nutzlastkabine einer Trägerrakete: Obwohl sie sich schon lange im Orbit befindet, verfügt sie über kein Antriebssystem und keine elektrische und chemische Energieversorgung. Zu diesem Zeitpunkt muss nur ein schwacher elektrischer Strom zugeführt werden, und schon kann das Segel des Off-Orbit-Segels entfaltet werden, wodurch die Nutzlastkabine aus der Umlaufbahn befördert und in die Atmosphäre eingeleitet wird, um dort zu verbrennen.

Während der Startphase der Trägerrakete befindet sich die Deorbit-Segelvorrichtung des Deorbit-Systems immer in einem gefalteten und komprimierten Zustand. Nachdem der Satellit die Umlaufbahn erreicht hat, wird das Deorbit-Segel per Fernsteuerungsbefehl vom Boden aus autonom entriegelt und entfaltet. Durch Entfalten seines „Segels“ vergrößert das Raumschiff seine Angriffsfläche und bremst mithilfe des Widerstands der dünnen Atmosphäre langsam ab, bis es schließlich durch die Schwerkraft der Erde in die Atmosphäre hineingezogen wird und verglüht. Einfach ausgedrückt ist es, als würde man einem Raumschiff einen „Regenschirm“ geben. Nach Abschluss seiner Mission öffnet sich der Schirm, der Widerstand erhöht sich, das Raumschiff wird langsamer und verlässt die Umlaufbahn.

Der Grund, warum Deorbit-Segel praktisch und wirtschaftlich sind, liegt darin, dass die Entwicklungskosten von Deorbit-Segeln im Vergleich zu aktiven Deorbit-Geräten wie Triebwerken weniger als 5 % der Kosten eines Raumfahrzeugs betragen. Darüber hinaus kann das Gerät für einige Satelliten mit niedrigeren Umlaufbahnen und geringeren Massen weiter miniaturisiert werden, um die Kosten zu senken.

Der Weg des Weltraumschrotts aus der Umlaufbahn

Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, ein Raumfahrzeug aus der Umlaufbahn zu nehmen: aktiv und passiv.

Am 19. Juli 2019 wurde Tiangong-2, das fast drei Jahre lang im Weltraum unterwegs war, aus der Umlaufbahn genommen und trat kontrolliert wieder in die Atmosphäre ein. Eine kleine Menge Trümmer fiel in die als sicher eingestuften Gewässer im Südpazifik. Dies ist ein erfolgreiches Beispiel für einen aktiven Deorbit, d. h., am Ende seiner Lebensdauer nutzt das Raumfahrzeug seinen eigenen Antrieb, um Orbitalmanöver durchzuführen, seine Fluggeschwindigkeit zu verringern, seine Umlaufbahn zu verlassen und allmählich in die Atmosphäre zu fallen.

Beim passiven Deorbiting handelt es sich um einen Vorgang, bei dem ein antriebsloses Raumfahrzeug seine Umlaufbahn mit Hilfe von Geräten wie Membransegeln, elektrischen Halteseilen und aufblasbaren Bällen senkt. Wenn die Umlaufgeschwindigkeit unter den Normalbetrieb fällt, stürzt das Raumfahrzeug automatisch in die Atmosphäre.

Die Frage, wie man die Umlaufbahn einer Rakete nach dem Start eines Satelliten schnell wieder verlassen kann, ist eine der wichtigsten Forschungsrichtungen im Bereich der Eindämmung von Weltraummüll.

Vor nicht allzu langer Zeit führte die Achte Akademie einen Deorbit-Systemtest an der „Langer Marsch 2D“ durch und setzte dabei erstmals das Deorbit-Segel im Orbitalabteil einer Trägerrakete ein. Dadurch wurde eine wirksame Methode geschaffen, mit der die Endstufe, der Nutzlastraum, der Nutzlastadapter usw. der nachfolgenden Trägerrakete nach Abschluss ihrer Missionen schnell aus der Umlaufbahn entfernt werden konnten. Gleichzeitig wurde eine technische Grundlage für die Entwicklung einer autonomen Technologie zur Entfernung von Weltraummüll für große Raumfahrzeuge am Ende ihres Lebenszyklus geschaffen.

Aktuelles Foto des von der Achten Akademie unabhängig entwickelten Deorbit-Segels, das im Weltraum eingesetzt wird

Zheng Qi, technischer Leiter des Deorbit-Systemteams für das Nutzlastmodul von Trägerraketen des 805. Instituts der Achten Akademie, stellte vor, dass das Deorbit-Segel eine leichte Beschleunigungsmaßnahme für die Deorbit-Erkundung sei, die einen geringen Raketen-Transportspielraum über dem Kopf und geringe Auswirkungen auf die Startmission habe und sich daher sehr gut als Standard-Deorbit-Vorrichtung für Trägerraketen eignen würde. Darüber hinaus kann aus der Perspektive der Verifizierung neuer Technologien die Verwendung der letzten Stufe und des Nutzlastmoduls, die nach Abschluss der Startmission im Orbit verbleiben, zur Durchführung solcher Experimente mit neuer Weltraumtechnologie im Vergleich zu Satelliten mit längeren Missionszyklen im Orbit die Aufgabenorganisation und -verwaltung effizienter gestalten und die Technologieverifizierung im Orbit schneller durchführen, eine kontinuierliche iterative Verbesserung neuer Technologien erreichen und die Produktreife schnell steigern. Es handelt sich um eine neue Idee zur Durchführung neuer Experimente im Bereich der Weltraumtechnologie.

Im September 2019 führte das Team eine Verifizierung der De-Orbit-Segeltechnologie am Mikro-Nano-Satelliten Taurus durch. Daten aus der Umlaufbahn zeigten, dass sich die Deorbitrate von Taurus unter der Einwirkung des Deorbitsegels um das Zehnfache erhöhte, was mit den Ergebnissen der Simulationsberechnungen übereinstimmt.

Im Vergleich dazu wurde das Deorbit-Segel der Chang Zheng 2D-Rakete deutlich verbessert. Nicht nur wurde die Segelfläche von 2,25 Quadratmetern auf 25 Quadratmeter erweitert, auch die Größe des anwendbaren Raumfahrzeugs hat sich von 10 Kilogramm auf 50 bis 500 Kilogramm erhöht. Darüber hinaus wurde die Methode zum Entfalten des Segels von der Entfaltung durch elastische Dehnung auf die Entfaltung durch aktiven Antrieb verbessert, um die Ebenheit und Integrität der großflächigen Dünnschicht-Segeloberfläche sicherzustellen. Auch die Einsatzzeit konnte von unter 0,5 Sekunden auf 20 Minuten verlängert werden.

Aktuelles Foto des von der Achten Akademie unabhängig entwickelten Deorbit-Segels, das im Weltraum eingesetzt wird

Um das 25 Quadratmeter große Segel zusammenfalten und in den Raketenraum einpassen zu können, wo jeder Zentimeter Platz wertvoll ist, hat das Forschungsteam große Anstrengungen bei der Entwicklung dünner Filmmaterialien unternommen. Damit wurde nicht nur sichergestellt, dass das Deorbit-Segel die Anforderungen an Robustheit und Haltbarkeit erfüllt, sondern auch die Dicke auf weniger als ein Zehntel eines Haares reduziert. Schließlich wird das Segel mithilfe einer hochdichten Kompressionstechnologie in einer Box von etwa der Größe eines Fußballs verstaut.

Yun Weidong, der Verantwortliche für das Deorbit-Segelgerät des 805. Instituts der Achten Akademie, stellte vor, dass die Achte Akademie zu Beginn dieses Jahrhunderts mit der Erforschung und Entwicklung verschiedener Technologien zur Reinigung von Weltraummüll begonnen habe. Zusätzlich zu den 2,25 Quadratmeter und 25 Quadratmeter großen Deorbit-Segeln, die die Verifizierung im Orbit abgeschlossen haben, entwickeln sie derzeit Deorbit-Segelvorrichtungen in größerem Maßstab, die für Raumfahrzeuge in niedrigen Umlaufbahnen mit einem Gewicht von 500 bis 3.000 Kilogramm geeignet sind. In naher Zukunft werden sie auch die On-Board-Verifizierung abschließen und ein Spektrum von Deorbit-Segelvorrichtungen für Raumfahrzeuge in niedriger Umlaufbahn entwickeln.

Der „Weltraumverteidigungskrieg“ über nationale Grenzen hinweg

Obwohl sich die kommerzielle Raumfahrt in den letzten Jahren rasant entwickelt hat und die Kosten für den Eintritt ins All immer geringer wurden, sind die Ressourcen im erdnahen Weltraum immer weiter eingeschränkt worden.

Im chinesischen Luft- und Raumfahrtsektor haben neben wissenschaftlichen Forschungsinstituten und anderen Einrichtungen auch Universitäten zahlreiche Versuche zur Entwicklung einer Deorbit-Segel-Technologie unternommen. Im Jahr 2018 sollte für den von der Nanjing University of Science and Technology entwickelten Satelliten „Huaian“ Enlai ein aktiver Deorbit-Test mithilfe eines Deorbit-Segels durchgeführt werden.

Derzeit haben auch die USA, Großbritannien, Deutschland und andere Länder eine Reihe von Projekten zur Untersuchung von Bremssegeln gestartet, die hauptsächlich dazu dienen, Satelliten kontrolliert aus der Umlaufbahn zu holen. Schlüsseltechnologien wie Stützarmdesign, Segelmembrandesign und Segelmembranfaltung wurden in den Projekten verifiziert.

Konzeptbild der Entfaltung des britischen Off-Orbit-Segels DeOrbitSail im Orbit

Dank der Bemühungen von Wissenschaftlern aus verschiedenen Ländern wurden die relevanten Technologien der Deorbitsegel kontinuierlich überprüft und weiterentwickelt. Im Juni 2017 entfaltete der vom Surrey Space Centre der University of Surrey in Großbritannien entwickelte Technologieverifizierungssatellit „InflateSail“ sein Deorbit-Segel etwa eine Stunde nach Eintritt in die Umlaufbahn erfolgreich und erreichte innerhalb von 72 Tagen eine schnelle Umlaufbahnverkleinerung. Die entfaltete Fläche des Segels betrug etwa 10 Quadratmeter. Im Juli 2019 wurde LightSail-2 der Planetary Society mit einer Segelfläche von etwa 32 Quadratmetern erfolgreich in die Umlaufbahn gebracht.

Heute ist die Deorbit-Segel-Technologie aufgrund ihrer Vorteile wie niedrigen Kosten, hoher technischer Reife und Anwendbarkeit auf erdnahe Raumfahrzeuge unterschiedlicher Spezifikationen eine der am leichtesten zu fördernden und anzuwendenden Technologien zur Eindämmung von Weltraummüll. Eine Reihe erfolgreicher Flugtests hat gezeigt, dass Deorbitsegel für die Deorbitierung von Raumfahrzeugen in niedrigen Umlaufbahnen geeignet sind.

Um den Schutz des Weltraums auf Regeln zu stützen, haben die größten Weltraummächte der Welt auch einen Konsens über die Eindämmung von Weltraummüll erzielt und eine Reihe von Regeln und Verträgen formuliert.

Auch heute noch stellt die Zunahme von Weltraummüll für Regierungen und die kommerzielle Raumfahrtbranche ein immer ernsteres Problem dar. Um den Weltraummüll einzudämmen und ihn zu beseitigen, ist ein umfassender Ansatz erforderlich, der auch die Deorbitierung von Raumschiffen einschließt.